Amplificateur de verrouillage portable miniature (et système de sonar pour appareils portables, etc.) : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Construisez un amplificateur de verrouillage miniature à faible coût qui peut être intégré dans des montures de lunettes et pour créer un système de vision par sonar pour les aveugles, ou un simple appareil à ultrasons qui surveille en permanence votre cœur et utilise l'apprentissage humain-machine pour avertir des problèmes avant qu'ils ne surviennent. arriver.

Un amplificateur verrouillable est un amplificateur qui peut verrouiller un signal spécifique (entrée de référence) tout en ignorant tout le reste. Dans un monde de bombardement constant de bruit et de distraction, la capacité d'ignorer quelque chose (c'est-à-dire l'ignorance) est un atout précieux.

Le meilleur amplificateur jamais construit dans toute l'histoire de la race humaine est le PAR124A fabriqué en 1961, et bien que beaucoup aient essayé de surpasser ou d'égaler ses performances, aucun n'a réussi [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Les amplificateurs de verrouillage sont fondamentaux pour le sonar, le radar, le lidar et de nombreux autres types de détection, et les bons coûtent généralement entre 10 000 $ et 50 000 $, selon les spécifications, etc.

S. Mann, Université de Stanford, Département de génie électrique, 2017.

Citer Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 pp. 63-70

Étape 1: Obtenir les composants

Le club étudiant WearTech de l'informatique portable de l'Université de Toronto a généreusement fait don d'un kit de pièces à chaque étudiant inscrit à l'ECE516.

Vous pouvez rejoindre WearTech et obtenir un kit de pièces, ou bien acheter les pièces auprès de Digikey.

Nomenclature:

• Générateur de signaux (que vous aurez toujours à partir du laboratoire 1 et au départ, vous n'aurez pas besoin du générateur de signaux complexe complet, c'est-à-dire que pour la première partie de ce laboratoire, tout générateur de signaux à valeur réelle approprié fera l'affaire);
• Décodeur de tonalité LM567 ou NE567 (puce à 8 broches);
• R_T = résistance supérieure du diviseur de tension d'entrée de référence: env. 5340 ohms;
• R_B = résistance inférieure du diviseur de tension d'entrée de référence: env. 4660 ohms;
• R_L = résistance de charge pour la sortie (broche 3): env. 9212 ohms;
• Les trois condensateurs (condensateurs de couplage pour l'entrée de référence et de signal, ainsi que le condensateur de filtre passe-bas sur la sortie);
• Commutateurs en option;
• Amplificateur de sortie tel que TL974 (vous pouvez également utiliser un amplificateur audio suffisamment sensible ou un amplificateur casque avec une impédance d'entrée suffisamment élevée pour ne pas surcharger le condensateur du filtre de sortie);
• Autres composants divers;
• Planche à pain ou autre circuit imprimé pour l'assemblage des composants.

De plus, pour faire quelque chose d'utile avec l'amplificateur de verrouillage, vous voudrez obtenir:

• Transducteurs à ultrasons (quantité deux);
• Casque audio ou système de haut-parleurs;
• Système informatique ou processeur ou microcontrôleur (du Lab 1) pour la partie machine learning.

R_T, R_B, et R_L sont relativement critiques, c'est-à-dire des valeurs que nous avons soigneusement sélectionnées par l'expérimentation.

Étape 2: câbler les composants

Connectez les composants selon le schéma indiqué.

Le schéma est un bon mélange entre un schéma de principe et un schéma de câblage, c'est-à-dire qu'il montre la disposition du circuit ainsi que la façon dont le circuit est connecté.

La manière dont le décodeur à 567 tonalités est utilisé a été considérée par certains comme une rupture créative par rapport à son utilisation conventionnelle normale. Normalement, la broche 8 est la broche de sortie, mais nous ne l'utilisons pas du tout. Normalement, l'appareil détecte une tonalité et allume une lumière ou un autre élément lorsque la tonalité est détectée.

Ici, nous l'utilisons d'une manière complètement différente de la manière dont elle était destinée à être utilisée.

Au lieu de cela, nous prenons la sortie à la broche 1 qui est la sortie d'un "détecteur de phase". Nous exploitons le fait qu'un "Détecteur de Phase" est simplement un multiplicateur.

De plus, la broche 6 est normalement utilisée comme connexion de condensateur de synchronisation.

Au lieu de cela, de manière créative, nous utilisons la broche 6 comme entrée de référence pour utiliser la puce 567 comme amplificateur de verrouillage. Cela nous permet d'accéder au multiplicateur à l'une de ses entrées.

Pour obtenir une sensibilité maximale aux entrées de référence, nous avons constaté que si nous polarisons cette broche à 46,6 % du rail d'alimentation et que nous la coupleons capacitivement, nous obtenons les meilleurs résultats. Vous pouvez également essayer de lui envoyer le signal de référence directement, comme indiqué par le commutateur (vous pouvez simplement utiliser un cavalier sur votre planche à pain au lieu du commutateur).

La seule broche d'entrée/sortie que nous utilisons de manière conventionnelle (c'est-à-dire la manière dont elle était censée être utilisée) est la broche 3 qui est censée être utilisée comme entrée, que nous utilisons effectivement comme entrée !

Étape 3: faites bon usage de l'amplificateur verrouillable: aide visuelle pour les aveugles

Nous souhaitons utiliser l'amplificateur de verrouillage pour créer une aide visuelle (aide à la vue) pour les aveugles.

L'idée ici est que nous l'utilisons pour le sonar, pour créer un système de détection de sonar Doppler.

Bien que vous puissiez acheter un capteur sonar en tant que pièce jointe Arduino, nous choisissons de construire le système nous-mêmes à partir des premiers principes de ce Instructable pour les raisons suivantes:

1. Les étudiants apprendront les bases lorsqu'ils construisent des choses eux-mêmes;
2. Cela vous donne un accès direct aux signaux bruts pour la recherche et le développement ultérieurs;
3. Le système est beaucoup plus réactif et instantané, par rapport aux systèmes préemballés qui ne font que rapporter des informations agrégées avec un peu de retard (latence).

Montez les deux transducteurs à ultrasons sur un casque (écouteurs), face vers l'avant. Nous aimons les mettre de chaque côté afin que la tête protège l'émetteur du signal direct du récepteur.

Connectez-les à l'amplificateur de verrouillage selon le schéma fourni.

Connectez une sortie de l'amplificateur au casque. Le type de casque "Extra Bass" fonctionne mieux, car la réponse en fréquence s'étend jusqu'à la plus basse des fréquences.

Vous pourrez maintenant entendre les objets dans la pièce et construire une carte visuelle mentale des objets de la pièce en mouvement.

Étape 4: Apprentissage homme-machine

Le "père de l'IA", Marvin Minsky (il a inventé tout le domaine de l'apprentissage automatique), avec Ray Kurzweil (directeur de l'ingénierie chez Google) et moi-même, avons écrit un article dans IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance", 2013) sur un nouveau type d'apprentissage automatique, appelé Humanistic Intelligence.

Cela découle de l'apprentissage automatique sur les technologies portables, c'est-à-dire "HuMachine Learning", dans lequel les capteurs deviennent une véritable extension de l'esprit et du corps.

Essayez de prendre les retours du sonar Doppler et de les fournir à l'entrée analogique d'un système informatique, et d'exécuter un apprentissage automatique sur ces données.

Cela nous rapprochera de la vision de Simon Haykin d'un système radar ou sonar capable de cognition.

Envisagez d'utiliser le réseau de neurones LEM (Logon Expectation Maximization).

Voir

Voici quelques articles supplémentaires sur l'apprentissage automatique et la transformation chirplet:

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16830941

pdfs.semanticscholar.org/21d3/241e70186a9b…

arxiv.org/pdf/1611.08749.pdf

pdfs.semanticscholar.org/21d3/241e70186a9b…

www.researchgate.net/publication/22007368…

Étape 5: Autres variantes: Moniteur cardiaque

La cause numéro 1 de décès est la maladie cardiaque, et nous pouvons créer un système portable qui aide à résoudre ce problème. Utilisez deux hydrophones ou géophones pour « voir » dans votre propre cœur. La même technologie qui aide les aveugles à "voir" peut maintenant être tournée vers l'intérieur pour regarder à l'intérieur de votre propre corps.

Un tel moniteur cardiaque, combiné à un ECG traditionnel ainsi qu'à une vidéo orientée vers l'extérieur pour le contexte, vous offre un moniteur cardiaque portable sensible au contexte pour la santé et la sécurité personnelles.

L'apprentissage automatique peut aider à prévoir les problèmes avant qu'ils ne surviennent.

Étape 6: Autre variante: Système de sécurité à vélo

Une autre application est un système de vision arrière pour un vélo. Placer les transducteurs vers l'arrière sur un casque de vélo.

Ici, nous souhaitons ignorer l'encombrement du sol et généralement tout ce qui s'éloigne de vous, mais seulement "voir" les choses qui vous gagnent.

À cette fin, vous souhaiterez utiliser un système de sonar à valeur complexe, comme indiqué dans le schéma de câblage ci-dessus.

Introduisez les sorties (réelles et imaginaires) dans un convertisseur AtoD (analogique vers numérique) à 2 canaux et calculez la transformée de Fourier, puis ne considérez que les fréquences positives. Quand il y a de fortes composantes de fréquence positives, il y a quelque chose qui gagne sur vous. Cela peut activer un agrandissement de votre flux de caméra arrière, pour attirer l'attention sur les objets derrière vous qui gagnent sur vous.

Pour de meilleurs résultats, calculez la transformation chirplet. Mieux encore: utilisez l'Adaptive Chirplet Transform (ACT) et utilisez le réseau de neurones LEM.

Voir le chapitre 2 du manuel "Intelligent Image Processing", John Wiley and Sons, 2001.

Références supplémentaires:

wearcam.org/all.pdf

wearcam.org/chirplet.pdf

wearcam.org/chirplet/adaptive_chirplet1991/

wearcam.org/chirplet/adaptive_chirplet1992/…

arxiv.org/pdf/1611.08749.pdf

www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1127523…

Étape 7: Autre variante: Aide à la vision binaurale pour les aveugles

Utilisez l'amplificateur de verrouillage à valeur complexe ci-dessus pour fournir un son stéréoscopique, avec les sorties réelles et imaginaires vers les deux canaux audio stéréo.

De cette façon, vous pouvez entendre la nature complexe du monde qui vous entoure, car l'audition humaine est très sensible aux légers changements de phase, et est-elle très apte à apprendre à comprendre les changements subtils entre les canaux en phase et en quadrature du retour Doppler.